基于超导量子器件的量子计算

超导量子器件能够展现宏观量子相干性.基于超导量子器件的量子计算是量子信息领域中的一个重要研究方向,同时,超导量子器件物理特性的研究也是目前凝聚态物理和量子光学领域的交叉前沿课题.文章简述了近年来在超导量子计算方面的一些重要结果和进展,并讨论了其研究现状和发展趋势.     

超导量子比特

随着2019年谷歌成功实现了“量子优势”,超导量子计算的研究正引起人们更加广泛的关注.超导量子比特是拥有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等量子力学特性的宏观器件,目前被广泛应用于量子物理、原子物理、量子光学、量子化学、量子模拟和量子计算等诸多领域中.本文将重点讨论位相、电荷、传输子以及磁通型超导量子比特的基本原理及其器件结构,并讨论器件的制备方法和量子态测量技术,最后对基于超导量子比特开展的物理问题的研究做一简单介绍.     

超导量子干涉器件

超导现象是一种宏观量子现象.磁通量子化和约瑟夫森效应是两个最能体现这种宏观量子特性的物理现象.超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是利用这两个特性而形成的超导器件.SQUID器件在磁信号灵敏探测方面具有广泛的应用.本文简要介绍低温超导和高温超导SQUID器件的相关背景和发展现状以及应用领域.     

通向通用量子计算机之路

量子计算机对信息的处理和计算与经典计算机相比有很大的优越性 .可编程量子计算器件是建造通用量子计算机的一个重要部分 .文章介绍了可编程量子计算中的一些主要结果 ,其中包括 :建造通用可编程量子计算器件的困难 ;两类解决方案 (概率的和精确的可编程量子计算器件 ,确定的和近似的可编程量子计算器件 ) ;通过量子软件控制的量子测量方案 .最后简要介绍了量子计算机物理实现的几个主要方向和未来的展望     

基于超导量子比特的电磁感应透明研究进展

超导量子计算是目前被认为最有希望实现量子计算机的方案之一. 超导量子比特是超导量子计算的核心部件. 如何尽可能的增加超导量子比特的退相干时间, 大规模的集成超导量子比特已成为超导量子计算研究的主要方向. 超导量子比特作为宏观的人工原子, 有许多量子光学现象都能够在其中观测到. 利用超导量子比特实现电磁感应透明为研究超导量子比特的退相干机理提供了新手段, 为研究非线性光学、光存储、光的超慢速传输等量子光学效应开辟了新思路. 本文介绍了电磁感应透明的理论基础, 总结了目前针对超导量子比特的电磁感应透明研究进展, 对比了一般气体原子与超导量子比特的电磁感应透明区别, 并对超导量子比特实现电磁感应透明的潜在应用进行了总结和展望.     

铌基超导量子比特及辅助器件的制备

近年来超导量子计算的研究方兴未艾,随着谷歌宣布首次实现“量子优势”,这一领域的研究受到了人们进一步的广泛关注.超导量子比特是具有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等典型量子特性的宏观器件,通过电磁脉冲信号控制磁通量、电荷或具有非线性电感和无能量耗散的约瑟夫森结上的位相差,可对量子态进行精确调控,从而实现量子计算和量子信息处理.超导量子比特有着诸多方面的优势,很有希望成为普适量子计算的核心组成部分.以铌或其他硬金属(如钽等)为首层大面积材料制备的超导量子比特及辅助器件(简称铌基器件)拥有其独特的优点以及进一步发展的空间,目前已引起越来越多的兴趣.本文将介绍常见的多种超导量子比特的基本构成和工作原理,进而按照器件加工的一般顺序,从基片选择和预处理、薄膜生长、图形转移、刻蚀和约瑟夫森结的制备等方面详细介绍铌基超导量子比特及其辅助器件的多种制备工艺,为超导量子比特的制备提供一个可借鉴的清晰的工艺过程.最后,介绍若干制备铌基超导量子比特与辅助器件的具体例子,并对器件制备的工艺与方法的优化做展望.     

超导电路的量子化方法

超导量子计算是当下世界范围内被广泛关注的研究课题之一,近年来许多文献报道了利用超导量子比特对特定物理过程的研究和仿真,在新近的一些工作里其应用范围已经超出了物理学研究范围,在化学、信息学等领域也得到了很好的结果。超导量子计算器件首先要对超导电路进行量子化。本文针对超导量子计算芯片(量子比特)中的超导电路总结了一套规范、实用的量子化方法,并以此方法对位相量子比特超导电路进行了量子化并给出了其哈密顿量。本文思路与方法对新型量子比特或其他超导电路的设计与研究也有一定帮助。     

量子算法与量子计算实验

从量子体系的基本特性出发 ,介绍了量子计算的基本概念和物理背景 ,系统阐述了几种主要的量子算法以及量子计算在实验方面的发展现状。对比经典计算机 ,讨论了量子计算机的优越性、实现量子计算的困难和以期克服的途径。     

四分之一超导谐振腔的仿真对比

超导量子电路已成为实现量子计算机的主流技术路线之一, 其中四分之一波长超导谐振腔主要用于读取量子比特的状态信息, 是实现超导量子电路的关键器件. 本文设计了四分之一波长超导谐振腔, 利用两种电磁仿真算法(有限元法以及矩量法) , 对超导谐振腔的传输特性进行建模仿真验证. 制备出了设计的超导谐振腔样品, 在20±5 mK 的低温环境下对其传输特性进行测量. 通过仿真结果与设计值和实测值进行对比研究, 发现基于矩量法的 sonnet 软件在仿真准确性、 仿真速率以及资源消耗等方面都优于基于有限元法的 HFSS 软件. 同时研究了谐振腔之间的串扰对仿真精度的影响, 当谐振腔数目不多时, 其相互之间串扰的影响几乎可以忽略.     

量子算法与量子计算实验

从量子体系的基本特性出发,介绍了量子计算的基本概念和物理背景,系统阐述了几种主要的最子算法以及量子计算在实验方面的发展现状。 对比经典计算机,讨论了量子计算机的优越性、实现量子计算的困难和以期克服的途径。     

利用超导量子电路模拟拓扑量子材料

近年来,探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是,由于合成、测量等手段的限制,人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质,促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件,超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统,是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟,显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.     

宏观人工原子相关的量子相干操纵

文章着重介绍作者及其合作者于2005年8月份发表在Physical Review Letters的2篇文章及其相关的系列研究工作．其中包括：（1）利用超导电荷量子比特的“Bang—Bang”控制，去冷却与之相耦合的纳米机械谐振器件，使之接近基态，以展示其丰富的量子效应；（2）具有△型能级结构超导人工原子的物理实现及其绝热量子操纵的奇异特性．为了深入了解这些工作的物理和潜在的应用背景，文章同时也介绍了超导量子比特物理实现及其相关的“全固态系统腔量子电动力学”研究的新进展，强调了基于超导人工原子的强耦合量子光学结构形成的物理机制．     

拓扑超导Majorana束缚态的探索

Majorana束缚态具有非阿贝尔量子统计特性,是极具潜力的拓扑量子计算方案的核心.近期有多项实验研究提供了Majorana束缚态在某些超导体系中的存在证据,使其成为近期凝聚态物理以及量子计算领域的前沿焦点之一.本文介绍拓扑超导的机理、Majorana束缚态的新奇物理特性、实验观测和操作的方法以及相关量子器件的设计,最后展望该研究方向的发展前景.     

超导量子比特的耦合研究进展

超导量子比特以其在可控性、低损耗以及可扩展性等方面的优势被认为是最有希望实现量子计算机的固态方式之一.量子比特之间的相干可控耦合是实现大规模的量子计算的必要条件.本文介绍了超导量子比特耦合方式的研究进展,包括利用电容或电感实现量子比特的局域耦合,着重介绍一维传输线谐振腔作为量子总线实现多个量子比特的可控耦合的电路量子电动力学体系,并对最新的三维腔与超导量子比特的耦合结构的研究进展进行了论述.对各种耦合体系的哈密顿量进行了比较详细的分析,并按照局域性和可控性对不同耦合机制进行了分类.     

固态量子计算的若干重要物理问题研究

量子计算机拥有比经典计算机更为强大的计算能力．人们普遍认为量子计算机最终将会在固态系统中实现．文章介绍了一些有关固态量子计算的研究进展，其中包括超导电荷量子比特方案、几何量子计算、量子点量子比特及量子计算若干基本问题研究．最后给出了固态量子计算的发展趋势．     

量子计算的进展和展望

该文主要介绍了量子计算机研究的历史和现状。强调发展大规模的量子计算和实现强关联多体系统的量子模拟,是当前量子计算研究的主流。文章主体部分主要介绍了量子计算机硬件研究方面的进展,主要聚焦于几个具有qubit可集成性的量子系统:量子点系统、超导约瑟夫森结系统、离子阱系统、腔量子电动力学系统,作为实现量子计算机的最主要的候选系统,上述方向的研究吸引了国际上研究量子计算的最主要的力量。我们调研了在这些系统中,在qubit表征、操控方面最具代表性的进展,以及在实现大规模量子计算道路上的困难,和可能的解决办法。     

量子计算的进展和展望

该文主要介绍了量子计算机研究的历史和现状.强调发展大规模的量子计算和实现强关联多体系统的量子模拟,是当前量子计算研究的主流.文章主体部分主要介绍了量子计算机硬件研究方面的进展,主要聚焦于几个具有qubit可集成性的量子系统:量子点系统、超导约瑟夫森结系统、离于阱系统、腔量子电动力学系统,作为实现量子计算机的最主要的候选系统,上述方向的研究吸引了国际上研究量子计算的最主要的力量.我们调研了在这些系统中,在qubit表征,操控方面最具代表性的进展,以及在实现大规模量子计算道路上的困难,和可能的解决办法.     

超导量子计算云平台

量子计算云平台将量子计算机以分时服务的形式通过互联网向用户开放,降低了量子计算资源的获取门槛,提高了量子计算资源的利用率,是连接量子计算科研机构和外界用户之间的纽带,对量子计算机的普及以及应用生态的培养起到了重要的推动作用,是未来量子计算机走向应用的一种重要且有效的运行形式。文章从超导量子计算云平台的概念、运行原理、组成部分、发展历史和现状、未来的发展趋势和困难等角度进行简要介绍,便于大家对这一新生事物有更多的了解。     

中国超导电子学研究及应用进展

超导体的发现距今已有近110年了,高温超导体的发现也已经有30多年了.超导材料的电子学应用在最近一二十年取得了突破性进展.高温超导微波器件显示了比传统微波器件更优越的性能,已经在移动通信、雷达和一些特殊通信系统中取得了规模化应用.超导量子干涉器件以其磁场和电流测量的超高灵敏度,成为地质勘探、磁共振成像和生物磁成像等领域不可替代的手段.包括超导隧道结混频器、超导热电子混频器、超导转变沿探测器及超导单光子探测器等在内的超导传感器/探测器可以探测全波段的电磁波及各种宇宙辐射,具有接近量子极限的超高灵敏度,在地球物理、天体物理、量子信息技术、材料科学及生物医学等众多前沿领域发挥越来越重要的作用.超导参量放大器已经成为实现超导量子计算的关键器件.超导集成电路技术已被列入国际器件与系统技术路线图,成为后摩尔时代微电子领域的前沿阵地之一.在计量科学中,超导约瑟夫森效应及约瑟夫森结阵器件被广泛应用于量子电压基准和国际单位制基本单位的重新定义中.在当前的量子信息技术热潮中,超导电子学扮演重要角色,同时量子热潮也大力推动了超导电子学的发展.本文主要对近几年我国超导电子学研究和应用的现状与进展进行概括总结.     

固态量子计算

量子计算机拥有比经典计算机更强大的计算能力，人们普遍认为，量子计算机最终将会在固态系统中实现，文章介绍了三种固态量子计算机的方案，它们分别基于固态核振磁共振，超导结和量子点。